智能煤流控制系統(tǒng)在煤礦綜采工作面的應(yīng)用

張白磊

（陜西有色榆林煤業(yè)有限公司，陜西榆林719099）

0 引言

隨著綜采裝備及技術(shù)發(fā)展迅速，綜采工作面經(jīng)歷了機(jī)械化→自動(dòng)化→智能化3個(gè)階段的發(fā)展歷程。機(jī)械化設(shè)備以人工操作為主，配套多人手動(dòng)操作的采煤機(jī)+就地操作的液壓支架+多人操作的運(yùn)輸系統(tǒng)；自動(dòng)化裝備以單機(jī)自動(dòng)化為主，設(shè)備包括具備記憶功能的采煤機(jī)+自動(dòng)跟機(jī)功能的液壓支架+具備自動(dòng)啟停功能的運(yùn)輸系統(tǒng)；智能化采煤是集地面監(jiān)控中心和工作面集控中心為一體的智能化工作面，實(shí)現(xiàn)減人提效、工作面少人或無人操作、遠(yuǎn)程監(jiān)控等，配套設(shè)備包括自動(dòng)協(xié)調(diào)運(yùn)行的采煤機(jī)+工況感知自動(dòng)移架液壓支架+自動(dòng)調(diào)速運(yùn)輸系統(tǒng)[1-2]。本文以總結(jié)某公司實(shí)際應(yīng)用的ABB智能煤流控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，研究了智能化采煤的一個(gè)子系統(tǒng)，該ABB智能煤流控制系統(tǒng)具備智能啟動(dòng)控制、鏈條張緊自適應(yīng)控制、煤量監(jiān)測(cè)、智能調(diào)速、運(yùn)行監(jiān)控和工況檢測(cè)等功能，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化遠(yuǎn)程干預(yù)和智能控制相互適應(yīng)的智能化煤炭運(yùn)輸，是集地面監(jiān)控中心和工作面集控中心為一體的工作面智能化采煤的一項(xiàng)重要進(jìn)程。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了煤流控制的智能化運(yùn)行、對(duì)設(shè)備和鏈條的有效保護(hù)、煤流系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行和節(jié)能減排。

1 智能煤流控制系統(tǒng)

智能煤流控制系統(tǒng)主要包括3大子系統(tǒng)：煤炭流量檢測(cè)系統(tǒng)、智能監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)、數(shù)據(jù)集中分析控制系統(tǒng)。其中煤流檢測(cè)系統(tǒng)是3大子系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)智能煤流控制的關(guān)鍵。

1.1 煤炭流量檢測(cè)系統(tǒng)

采取的檢測(cè)方式主要包括激光掃描瞬時(shí)檢測(cè)方式、視頻識(shí)別煤量檢測(cè)方式、雙目視覺煤料量檢測(cè)方式[3]。激光掃描瞬時(shí)檢測(cè)方式：在輸送機(jī)皮帶上方安裝激光發(fā)射器，利用激光實(shí)現(xiàn)對(duì)煤流高度、寬度、分布狀態(tài)等信息進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)時(shí)讀取煤流量。視頻識(shí)別煤量檢測(cè)方式：安裝攝像頭采集煤流視頻圖像，利用視頻識(shí)別技術(shù)讀取煤料的視頻輪廓線，計(jì)算瞬時(shí)煤料量。雙目視覺煤料量檢測(cè)方式：該方式以K-means聚類煤料識(shí)別模塊、三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息提取模塊、T-S推理估算煤量模塊三大模塊為基礎(chǔ)，依據(jù)物料運(yùn)輸過程中光線的變換信息和顆粒物分部信息，利用雙目視覺深度感知的特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤料量的檢測(cè)。

1.2 智能監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)

傳統(tǒng)的煤流系統(tǒng)采用人工巡檢或固定攝像頭監(jiān)視方式進(jìn)行監(jiān)控，在設(shè)備發(fā)生斷帶、打滑、跑偏、堆煤等問題時(shí)，易發(fā)生事故并對(duì)設(shè)備人員產(chǎn)生較大危害。智能監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)通過在流煤系統(tǒng)運(yùn)行線路安設(shè)巡檢機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的有效監(jiān)測(cè)，出現(xiàn)設(shè)備故障及時(shí)報(bào)警并處理。巡檢機(jī)器人搭載高清攝像裝備、有毒有害氣體探測(cè)儀、熱傳感器等智能化設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)流煤系統(tǒng)智能化監(jiān)控預(yù)警[4]。巡檢機(jī)器人主要功能包括皮帶跑偏監(jiān)測(cè)、托輥溫度轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)、皮帶打滑監(jiān)測(cè)、堆煤異物監(jiān)測(cè)、有毒有害氣體監(jiān)控、人員是否進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域監(jiān)控等。

1.3 數(shù)據(jù)集中分析控制系統(tǒng)

數(shù)據(jù)集中分析控制系統(tǒng)是智能煤流控制系統(tǒng)的核心，通過智能分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送機(jī)的啟停控制和智能調(diào)速控制。

（1）啟停自適應(yīng)控制。在流煤系統(tǒng)安裝煤量檢測(cè)裝置和速度控制裝置，及時(shí)準(zhǔn)確地掌握流煤上料信息；控制系統(tǒng)自動(dòng)讀取輸送機(jī)上的流煤量和流煤運(yùn)行速度，按照逆煤流方式實(shí)現(xiàn)前后設(shè)備的有序啟停，達(dá)到減少設(shè)備空轉(zhuǎn)、降低設(shè)備運(yùn)行能量損耗的目的。發(fā)生故障時(shí)及時(shí)啟停相應(yīng)的工作段，避免局部設(shè)備故障后其余設(shè)備不停導(dǎo)致的安全事故[5]。

（2）智能調(diào)速控制。依據(jù)設(shè)備運(yùn)行速度、運(yùn)輸量等信息建模，模擬優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行方式，通過調(diào)節(jié)采煤機(jī)、輸送機(jī)速度，實(shí)現(xiàn)節(jié)能達(dá)到20%左右，流煤系統(tǒng)設(shè)備設(shè)備壽命延長50%以上。

2 智能煤流控制系統(tǒng)應(yīng)用分析

2.1 應(yīng)用條件概況

某礦井302盤區(qū)采礦方法為一次采全高大采高采煤法，工作面走向長度約6 000 m，原煤產(chǎn)能3 000 t/h。工作面配套設(shè)備：采煤機(jī)型號(hào)為SL1000型、刮板輸送機(jī)型號(hào)為SGZ1400/4500型、轉(zhuǎn)載機(jī)型號(hào)為SZZ1600/1000型。刮板輸送機(jī)采取智能控制系統(tǒng)，采用變頻一體機(jī)+摩擦限矩器+減速器實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)[6]。

30201綜采工作面采用ABB智能煤流控制系統(tǒng)，通過接收煤量負(fù)載信息，刮板機(jī)電機(jī)電流、功率、轉(zhuǎn)速溫度等數(shù)據(jù)，進(jìn)行綜合智能分析運(yùn)算，根據(jù)實(shí)際負(fù)荷情況，按比例（根據(jù)實(shí)際情況預(yù)先設(shè)定分級(jí)）調(diào)節(jié)三級(jí)轉(zhuǎn)速等，實(shí)現(xiàn)刮板機(jī)智能控制功能及生產(chǎn)均衡控制；當(dāng)具有煤流負(fù)荷系統(tǒng)單一設(shè)備故障停機(jī)時(shí)，智能關(guān)聯(lián)閉鎖煤流系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)、刮板運(yùn)輸機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)和順槽膠帶機(jī)的聯(lián)鎖。同時(shí)依托德國瑪珂公司開發(fā)的PM32-IFC工作面智能化系統(tǒng)，接收采煤機(jī)速度和方向、滾筒電機(jī)和牽引電機(jī)的電流和溫度等數(shù)據(jù)，根據(jù)刮板運(yùn)輸機(jī)負(fù)載情況，自主調(diào)整速采煤機(jī)牽引速度和截割功率，保證煤量運(yùn)輸負(fù)荷均衡平穩(wěn)。智能煤流調(diào)速原理如圖1所示。

圖1 智能煤流調(diào)速原理

2.2 ABB智能煤流控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制對(duì)象為刮板輸送機(jī)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成主要包括防爆刮板機(jī)智能控制箱、防爆煤量檢測(cè)裝置、防爆變頻驅(qū)動(dòng)設(shè)備、防爆信號(hào)采集箱、工作面監(jiān)控、地面監(jiān)控?？刂葡到y(tǒng)的主要功能有智能起動(dòng)控制、鏈條張緊控制、煤量監(jiān)測(cè)及智能調(diào)速、運(yùn)行監(jiān)控和工況檢測(cè)[7]。

（1）智能啟動(dòng)控制

預(yù)張緊控制：可以在啟動(dòng)之初通過對(duì)頭部電機(jī)和尾部電機(jī)的分別控制來張緊底部的鏈條；在底部張緊之后頭部電機(jī)和尾部電機(jī)才會(huì)同時(shí)啟動(dòng)運(yùn)行，使底部卡鏈的現(xiàn)象不再發(fā)生。

變頻軟啟動(dòng)：延長啟動(dòng)時(shí)間，減少對(duì)設(shè)備的沖擊；設(shè)定電機(jī)的加速曲線使得電機(jī)的速度逐步升高，3臺(tái)電機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)，并保持平衡，降低對(duì)供電系統(tǒng)的沖擊和對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的沖擊。

（2）鏈條張緊自適應(yīng)控制

通過監(jiān)測(cè)油缸壓力、行程數(shù)據(jù)，操作電磁換向閥進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)鏈條張力。實(shí)現(xiàn)起機(jī)前自動(dòng)張緊鏈條、運(yùn)行中自動(dòng)調(diào)整鏈條張力、停機(jī)后收回機(jī)尾。有效減少鏈條應(yīng)力腐蝕、提升鏈條壽命。鏈條張緊自適應(yīng)控制系統(tǒng)的設(shè)備組成如圖2所示。

圖2 自適應(yīng)控制系統(tǒng)的設(shè)備組成

（3）煤量監(jiān)測(cè)

選用YBM24礦用隔爆型煤量檢測(cè)儀來測(cè)量煤位的高度，及時(shí)有效地掌握煤炭運(yùn)輸量。其工作原理如圖3所示，在掃描范圍α內(nèi)，掃描儀輸出每個(gè)斷面各測(cè)量點(diǎn)的距離hi，通過積分運(yùn)算和差值運(yùn)算算得面積微元ΔSi，據(jù)此可以計(jì)算刮板機(jī)上煤層斷面積S，并得到外型輪廓和坐標(biāo)定位等信息，將相關(guān)數(shù)據(jù)通過信號(hào)中轉(zhuǎn)箱傳輸至智能控制器中，再引入刮板機(jī)運(yùn)行速度就可以計(jì)算出煤流得體積，

圖3 煤量監(jiān)測(cè)儀掃描原理

從而得出刮板機(jī)實(shí)時(shí)的煤流量。

（4）智能調(diào)速

由運(yùn)輸系統(tǒng)控制器進(jìn)行調(diào)速運(yùn)算，通過當(dāng)前采煤機(jī)位置、截深、速度和方向計(jì)算刮板輸送機(jī)裝煤分布情況，結(jié)合刮板輸送機(jī)的當(dāng)前負(fù)荷和運(yùn)煤量計(jì)算出刮板輸送機(jī)的輸出速度。將輸出速度發(fā)送到一體機(jī)控制器，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的調(diào)速等級(jí)，采用最合適的調(diào)速命令執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)的調(diào)速控制。

（5）運(yùn)行監(jiān)控和工況檢測(cè)

運(yùn)行監(jiān)控：顯示、記錄刮板輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)；故障顯示、故障追蹤；記錄刮板輸送機(jī)運(yùn)營情況；監(jiān)控各個(gè)驅(qū)動(dòng)部減速器、電機(jī)信號(hào)；建立刮板機(jī)運(yùn)營情況數(shù)據(jù)庫，為刮板機(jī)主要部件的運(yùn)行時(shí)間，行程和狀態(tài)建立數(shù)據(jù)記錄；結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)，給出刮板機(jī)維護(hù)建議，提醒更換或者保養(yǎng)設(shè)備，減少大型故障發(fā)生的概率。

工況檢測(cè)：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)繞組軸承溫度、鏈輪溫度、電機(jī)繞組軸承溫度、轉(zhuǎn)速、電壓、電流、輸出轉(zhuǎn)矩，減速器的油溫、油位、輸入軸溫度、輸出軸溫度，冷卻水的壓力、流量、溫度，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)、智能感知、故障預(yù)警。

（6）德國瑪珂智能化控制系統(tǒng)在智能調(diào)速方面的應(yīng)用

德國瑪珂智能化控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采煤機(jī)和刮板運(yùn)輸機(jī)的各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)。當(dāng)ABB控制器綜合分析判斷電機(jī)電流-煤量煤位數(shù)據(jù)并按比例智能調(diào)速刮板運(yùn)輸機(jī)的同時(shí)，德國瑪珂智能化系統(tǒng)將刮板運(yùn)輸機(jī)負(fù)載變化情況傳輸至采煤機(jī)控制器，采煤機(jī)自主調(diào)整牽引速度和截割功率，實(shí)現(xiàn)智能煤流符合調(diào)整。如遇特殊情況或安全問題，可直接發(fā)送設(shè)備停機(jī)指令[8]。

3 應(yīng)用效果

（1）智能啟動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)預(yù)張緊消除下層卡鏈，變頻軟啟減低對(duì)設(shè)備的沖擊。鏈條自動(dòng)張力控制實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)刮板機(jī)前自動(dòng)張緊鏈條，刮板機(jī)停止后自動(dòng)放松鏈條，減少鏈條疲勞，延長使用壽命。

（2）基于煤量的智能鏈速調(diào)整，在保證運(yùn)量的前提下，采用速度分級(jí)控制，避免刮板機(jī)裝煤量的波動(dòng)引起速度的頻繁變化，有效降低磨損，延長設(shè)備壽命；降低單位輸送量的能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，同樣的產(chǎn)煤量，減少用電量15%以上，減少刮板機(jī)行程50%以上。

（3）依托智能化系統(tǒng)，根據(jù)刮板運(yùn)輸機(jī)負(fù)載情況自主調(diào)整采煤機(jī)牽引速度和截割功率，最大程度保證煤流負(fù)荷的平穩(wěn)。

4 結(jié)束語

工作面智能煤流控制系統(tǒng)應(yīng)用以來，具備智能啟動(dòng)控制、鏈條張緊自適應(yīng)控制、煤量監(jiān)測(cè)、智能調(diào)速、運(yùn)行監(jiān)控和工況檢測(cè)一系列功能，通過智能化集控系統(tǒng)綜合判斷采煤機(jī)和運(yùn)輸機(jī)負(fù)荷情況（電流、溫度、頻率），啟動(dòng)對(duì)采煤機(jī)割煤速度和運(yùn)輸機(jī)鏈速的匹配調(diào)節(jié)。應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)具備以下3點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：（1）根據(jù)主運(yùn)輸運(yùn)煤能力自動(dòng)調(diào)節(jié)工作面出煤量輸送，避免了主運(yùn)輸過載現(xiàn)象；（2）變頻軟啟、自張鏈條和速度分級(jí)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備和鏈條的有效保護(hù)，顯著提高設(shè)備使用壽命；（3）自主調(diào)整采煤機(jī)牽引速度和截割功率，實(shí)現(xiàn)煤流系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行和節(jié)能減排，降低開采電能單耗15%以上。